Химический состав живых организмов

Цель:Ознакомить с химическими компонентами клетки, характером связи между их химическим строением, физическими и химическими свойствами и ролью в биологических системах

План:

1 Неорганические вещества, входящие в состав клетки

2 Функции белков, липидов и углеводов в клетке

1 Одна из специфических особенностей животных и растений заключается в том, что, находясь в состоянии беспрерывного обмена с окружающим миром, они очень избирательно восприни­мают необходимые для них вещества. Поэтому одни химические элементы, широко распространенные в земной коре (алюминий, кремний), почти не участвуют в построении тела животного, тогда как другие содержатся в организме в относительно больших коли­чествах. Все наиболее распространенные в организмах элементы относят к группе макроэлементов; в своей совокупности они составляют 99,9% всего живого вещества. В эту группу вхо­дят С, N, О, Н, S, Р, К, Са, Na, Mg, Fe и С1; на долю всех осталь­ных элементов (йод, бром, алюминий, марганец, медь и др.) остается всего лишь 0,1 %, и называются они микроэлементами. К ним относятся Си, Со, Zn, Mn, Mo, Ni, Cd, Sr, Ba, Be, U, Ag, Bi, Pb, Sb, B, Li, I, F и др.

Нали­чие воды — совершенно необходимое условие жизнедеятельности. Организм на 70—80% состоит из воды; особенно много ее в клетках зародышей и молодых животных. Потеря значительного количества воды приводит к качественному изменению или даже к полной остановке биологических процессов. Вода не только является растворителем других веществ, но и входит в состав структур прото­плазмы. Опыты с мечеными атомами убеждают в том, что половина воды, введенной мыши, выделяется во внешнюю среду в течение 2 1/2 дней, а остальные меченые молекулы воды остаются в организме до 340 суток.

Белки. К числу гигантских полимерных молекул, входящих в состав протоплазмы, в первую очередь следует отнести белки. Еще Ф. Энгельс определил жизнь как форму существования белко­вых тел, характеризующуюся постоянным обменом веществ. Без белков и их соединений с другими веществами жизнь невозможна. В качестве структурных белков они уча­ствуют в построении протоплазмы, составляя до 80% ее сухого веса. В обменных процессах они играют роль ускорителей — фер­ментов (энзимов). Вступая во временное соединение с веществом, участвующим в данной биохимической реакции, фермент осущест­вляет синтез или распад молекул, окисление и восстановление, участвует в образовании цепей переноса электронов (подробно все эти явления изучаются в курсе биохимии). Обладая обычно высокой специфичностью, фермент может воздействовать только на одно химическое соединение. Если, например, фермент, обо­значенный нами условно буквой а, имеет специфическое сродство к веществу А и превращает его в вещество Б, к которому он срод­ства уже не имеет, то рядом с ним должен находиться фермент б, переводящий вещество Б в В и т. д. Для участия в каждой цепной реакции типа А – Б - В и т. д. в клетке в определенном порядке должны располагаться соответствующие ферменты а, б, в и т.д. Упорядоченность расположения ферментов обеспечивает строгую согласованность всех биологических процессов.

Ферменты способны в миллионы раз ускорять ход биохимиче­ских превращений; обладая к тому же специфическим строением, они обеспечивают характерные для живого вещества упорядочен­ность и избирательность обмена. Можно, конечно, допустить, что данное вещество, поступая в организм, претерпевает в нем самые различные превращения; однако под влиянием фермента одно из этих превращений будет протекать в миллионы раз быстрее всех остальных. Таким образом, фермент как бы направляет течение химического процесса по определенному руслу, а все остальные возможные реакции данного вещества, не ускоряемые ферментом,

будут протекать в миллионы раз медленнее и не приобретут серь­езного значения в жизни животного.

Специфичность является важнейшей особенностью белков. Попав в тело другого животного, белки оказываются для него чужеродными (антигеном) и вызывают защитную реакцию тканей этого животного, заключающуюся в выработке «противоядия», то есть своих специфических белков (антител), обезвреживающих антигены. Эта очень важная особенность белков, их специфич­ность зависит прежде всего от порядка расположения в молекуле данного белка аминокислот, входящих в ее состав.

Характерной особенностью всех аминокислот является то, что у них по крайней мере один атом водорода замещен аминогруппой (NH₂). Подобно другим органическим кислотам, они имеют также по меньшей мере одну карбоксильную группу (СООН).

Соединившись, обе амино­кислоты, точнее говоря остатки обеих аминокислот, образуют дипептид. Таким же путем из соединения трех аминокислот возникает трипептид, а из многих (до 50 аминокислот) — полипептид.

Отдельные звенья полипептидной цепи могут вращаться, как на шарнирах, цепь скручивается в спираль, так как между атомом водорода одного завитка спирали и атомом кислорода другого завитка обра­зуются временные связи.

Из таких цепей, имеющих весьма разнообразную конфигурацию, складывается еще более сложный комплекс — белковая молекула.

В зависимости от того, имеет ли молекула вид вытянутой в длину нити или эта нить свертывается в клубок, различают во­локнистые и глобулярные белки. Благодаря боковым группам нитевидные молекулы волокнистых белков могут «сшиваться» друг с другом и образовывать более или менее крупные волокна. Это наблюдается, в частности, у скелетных белков(склеропротеинов), например у входящего в состав волос кератина. При «сшивании» боковые группы оказываются в большинстве замещенными, поэтому волокнистые белки относительно малоактивны.

Следует подчеркнуть одно очень важное обстоятельство. Для каждого глобулярного белка характер скручивания молекул всегда строго специфичен, как и порядок чередования аминокислотных остатков в белковой молекуле.

В биохимии принята довольно сложная классификация белков; при изучении начальных глав гистологии белки могут быть простыми (протеинами) и сложными (протеиды).

Таким образом, молекулу ДНК можно сравнить с лестницей, ступени которой образованы азотистыми основаниями двух смеж­ных нуклеотидов. Пространственные отношения в молекуле та­ковы, что в промежутке между сахарами двух спаренных нуклео­тидов могут разместиться только одно пуриновое и одно пиримидиновое основания, то есть по принятой выше системе обозначе­ния всего должно быть три кольца азотистых оснований:

Это значит, что при построении молекулы ДНК нуклеотид, обла­дающий пуриновым основанием (два кольца), может соединиться лишь с таким нуклеотидом, азотистое основание которого состоит только из одного кольца (пиримидин).

Что касается РНК (рибонуклеиновой кислоты), то о ней под­робнее будет сказано в следующей главе. Пока следует отметить только, что она отличается от ДНК, во-первых, тем, что состоит из одной, несдвоенной цепи; во-вторых, ее нуклеотиды вместо дезоксирибозы содержат рибозу, а вместо тимина — другой пири­мидин, называемый урацилом (У).

Встречаются нуклеотиды, содержащие несколько остатков фосфорной кислоты. Одним из таких соединений является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), содержа­щая три остатка фосфорной кислоты. Присоединение фосфорной кислоты сопряжено с накапливанием значительного количества энергии; наоборот, отщепление от АТФ одного фосфорного остатка, то есть превращение аденозинтрифосфорной кислоты в адено-зиндифосфорную кислоту (АДФ), сопровождается осво­бождением этой энергии. Поэтому АТФ называют макроэргическим, то есть богатым энергией, соединением, участвующим в ре­гулировании энергетического баланса клетки.

Липиды (от греч. lipos — жир) очень распространены в про­топлазме; опыт показывает, что без них невозможно нормальное существование клеток. К этой группе органических веществ при­надлежат и относительно просто построенные жиры и более слож­ные соединения — липоиды (жироподобные вещества).

Жиры — соединения жирных кислот с глицерином — ли­шены свободных гидрофильных групп, поэтому редко вступают в химическую связь с белками протоплазмы и находятся в ней преимущественно в виде свободно взвешенных капель. При сгора­нии они выделяют больше тепла, чем другие органические веще­ства, и, следовательно, могут служить мощным источником энер­гии для клетки.

Липоиды, кроме глицерина и жирных кислот, содержат и другие вещества (азотистое основание, фосфорную кислоту). Они принимают непосредственное участие в построении прото­плазмы, в которой, вероятно, находятся в виде липопротеидов, то есть соединений с белками. При этом один конец молекулы — гид­рофобный полюс (буквально «ненавидящий воду») — состоит из насыщенных групп (СН₂), не несет электрического за­ряда и не вступает в связь с молекулами воды или белками.

Углеводы — органические соединения, в которых углерод свя­зан с водородом и кислородом. Они также играют важную роль в жизненных процессах. Наиболее простые углеводы называются моносахаридами (например, глюкоза). В организме существуют и продукты взаимного соединения молекул моносахаридов в более сложные — дисахариды и полисахариды.

Литература:2, т.1, с. 151-193

Контрольные вопросы:

1 Какие химические элементы входят в состав клетки?

2 Какие неорганические вещества входят в состав клетки?

3 В чем заключается значение воды для жизнедеятельности клетки?

4 Какие органические вещества входят в состав клетки?

5 Назовите функции белков.